경질 탄소는 고온 처리 후에도 흑연화되지 않습니다. 내부 결정 배열이 불규칙하고 층 간격이 넓습니다. 이로 인해 경질 탄소 양극은 동일한 부피에서 더 많은 전하를 저장하게 됩니다. 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도와 내구성을 향상시킵니다. 방전 과정에서 경질 탄소 양극의 팽창 및 수축이 더욱 균일해 주기 안정성, 충전 및 방전 성능이 향상되고 나트륨 이온 배터리의 주기 수명이 연장됩니다.
태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전이 급속히 확대되면서 에너지저장전지용 신소재에 대한 연구도 심화되고 있다. 제15회 심천 중국 국제 배터리 기술 전시회에서 한 회사는 차세대 나트륨 이온 배터리 하드 탄소 양극 재료를 출시했습니다. 첫 번째 충전 및 방전 효율은 90%에 도달할 수 있습니다.
중국의 풍부한 나트륨 자원으로 인해 나트륨 이온 배터리는 대규모 에너지 저장에 가장 적합한 새로운 유형의 배터리로 간주됩니다. 이는 리튬 자원 부족으로 인한 문제와 제한된 에너지 저장 장치의 개발이 고르지 않게 분배되는 문제를 완화할 것으로 기대됩니다. 다른 나트륨이온전지용 음극재와 비교하여 하드카본 소재의 장점은 무엇인가요? 중국의 경질탄소재료 산업 발전 상황은 어떠한가? 대규모 애플리케이션과 얼마나 멀리 떨어져 있습니까? 아직 갈 길이 멀다. 이러한 질문에 대해 과학기술일보 기자는 관련 전문가들을 인터뷰했다.
하드카본은 나트륨이온전지의 양극재로 선택됐다.
나트륨 이온 배터리는 주로 양극, 음극, 전해질, 격막 등으로 구성됩니다. 작동 원리는 리튬 이온 배터리와 유사합니다. 배터리의 나트륨 저장 주체인 나트륨 이온 배터리의 양극재는 충전 및 방전 과정에서 나트륨 이온의 매립 또는 분리를 실현하므로 배터리의 용량은 양극의 저장 능력과 양의 상관 관계가 있습니다. 나트륨 이온. 양극재의 선택은 나트륨이온 배터리 개발에 결정적인 역할을 합니다.
Central South University의 Zhou Xiangyang 교수는 나트륨 이온 배터리용 양극 재료의 분류는 대략 5가지 범주로 나눌 수 있다고 말했습니다. 첫째, 흑연, 비정질탄소, 나노카본 등을 주로 포함하는 탄소계 음극재 중 비정질탄소가 산업화를 주도할 가능성이 가장 높다. 둘째, 합금 양극 재료는 이론 용량은 높지만 나트륨 팽창에 포함된 전자의 양이 심각하고 사이클 성능이 좋지 않습니다. 셋째, 금속산화물과 황화물계 양극재료는 이론용량은 높으나 전도성이 좋지 않다. 넷째, 임베디드 유형의 티타늄 기반 양극 재료, 작지만 낮은 용량의 변화량; 다섯째, 부피가 작은 유기계 음극재; 다섯째, 유기계 음극재는 부피가 적다. 다섯째, 유기 음극재는 가격이 저렴하지만 전도성이 낮고 전해질에 용해되기 쉽다.
탄소 기반 음극재는 우수한 전기 전도성을 갖는 동시에 제조 방법이 유연하고 저렴하며 환경 친화적이기 때문에 나트륨 이온 배터리용 음극재의 주요 선택이 되었습니다. 그 중 비정질 탄소에 포함된 하드카본과 소프트카본 소재는 나트륨이온전지용 음극소재로 주목받고 있다. 소프트카본(Soft Carbon)이란 고온처리 후 흑연화가 가능한 탄소를 말하며, 보통 저가의 무연탄을 전구체로 가공, 제조하여 얻는다. 그럼에도 불구하고 나트륨 저장 비용이 낮고 충전 속도가 느리며 저온 성능이 좋지 않습니다.
하드 카본은 고온 처리 후에도 흑연화되지 않는 탄소입니다. 내부 결정 배열이 무질서하고 층 간격이 넓어서 하드 카본 양극이 동일한 부피에서 더 많은 전하를 저장하게 하고 배터리의 에너지 밀도와 내구성을 향상시킵니다. 하드 카본의 기공 구조가 더 크기 때문에 더 많은 나트륨 이온을 보유할 수 있습니다. 따라서 방전 과정에서 전극의 팽창과 수축이 더욱 고르게 이루어지며, 이는 하드카본 음극의 사이클링 안정성과 충방전 성능을 높이고 나트륨 이온 배터리의 사이클링 수명을 연장시킵니다.
Zhou Xiangyang은 다양한 종류의 탄소 양극재 성능을 비교함으로써 하드 카본이 나트륨 이온 배터리 상용화를 위한 양극재로 선호되는 솔루션임을 알 수 있으며 산업화를 주도할 것으로 예상된다고 말했습니다.
바이오매스는 경질탄소 재료 제조에 주류가 됩니다
“원료원인 하드카본 전구체가 풍부하고, 전구체 선정과 공정기술 축적이 하드카본 음극재 개발의 핵심 요소입니다.” Zhou Xiangyang이 말했습니다.
경질 탄소 재료를 제조하기 위한 전구체는 일반적으로 바이오매스, 합성 고분자, 화석 연료 등입니다. 서로 다른 전구체로 제조된 경질 탄소 재료는 상당한 성능 차이를 가지며, 경질 탄소 재료의 비용 구성도 다양한 공급원으로 인해 크게 다릅니다. 전구체의 원료. 그중 바이오매스는 코코넛 껍질, 과일 껍질, 자몽 껍질, 식물 및 동물 조직 등과 같은 광범위한 원료 공급원을 가지고 있습니다. 비용이 상대적으로 저렴하므로 경질 탄소 재료 제조에 첫 번째 선택입니다. 현재. 합성 폴리머에는 주로 페놀수지, 폴리아크릴로니트릴 및 기타 화학적으로 합성된 재료가 포함되며, 이는 우수한 전기화학적 특성, 제어 가능한 원료 및 우수한 제품 일관성을 갖지만 비용이 더 높습니다. 화석 연료는 주로 아스팔트, 콜타르 및 관련 혼합물을 포함하며, 다양한 원료 공급원으로 인해 비용이 저렴하지만 제품 용량이 낮습니다. 아스팔트 등에 포함된 휘발성이 높은 물질로 인해 생산과정에서 추가적인 배기가스 및 폐수 처리가 필요해 생산원가가 상승한다.
현재 하드카본 제조 공정은 다중화되어 있으며 지속적으로 하드 카본 음극 개발중인 소재. 예를 들어, 중국과학원 산시석탄화학연구소 연구원 Chen Chengmeng이 이끄는 팀은 화학반응을 통해 전분을 경질탄소음성전극재료로 제조했으며, 그 결과는 학술지 에너지 저장(Energy Storage)에 게재되었습니다. 재료.
전분을 단단한 탄소로 어떻게 준비합니까? 이 공정은 대략 3단계로 나눌 수 있습니다. 먼저, 옥수수 전분과 무수 말레산을 사용하여 산소가 풍부한 에스테르화 전분을 제조하는 단계; 그런 다음 반응기에 수소와 아르곤 가스 혼합물, 그리고 수소 환원 반응을 위한 에스테르화 전분을 투입하며, 반응 생성물인 전분은 최종 제품의 전구체로 사용됩니다. 마지막으로 아르곤을 보호 가스로 사용하고, 고온 탄화 반응을 위해 1100℃에서 전분 전구체를 사용하여 경질 탄소 재료 준비를 완료합니다.
Chen Chengmeng 팀은 또한 관상로 내 반응 온도를 변경하고 반응 생성물 전구체의 산소 함량을 조정하여 경질 탄소의 미세 구조 조절을 실현했으며, 경질 탄소 양극 재료의 전기화학적 특성에 산소 함량이 미치는 영향을 확인했습니다. .
Chen Chengmeng은 팀의 연구가 고성능 경질 탄소 재료의 후속 개발을 위한 기반을 마련했지만 재료의 미세 구조 및 전기화학적 특성은 여전히 심층적으로 조사되어야 한다고 강조했습니다.
또한 푸단대학교 Xia Yongyao 교수 등은 패각 바이오매스 물질을 하이드로알콜 용액과 황산 용액에 순차적으로 담그고 교반하여 현탁액을 얻었습니다. 그런 다음 현탁액을 물에 분산시키고 여과하고 건조하여 전구체를 얻었습니다. 그들은 사전 탄화를 위해 불활성 가스 보호 하에서 전구체를 가열하고 냉각한 후 볼 밀링하여 사전 탄소 분말을 얻었습니다. 연구진은 고온 탄화를 위해 불활성 가스 보호 하에서 프리카본 분말을 가열하고 냉각해 나트륨이온 배터리용 고효율 바이오매스 경질탄소 음극소재를 얻었다.
경질탄소 음극재 산업 시장 규모는 계속해서 성장할 것이다
나트륨 이온 배터리는 국내외 연구 및 산업화의 핫스팟이 되었습니다. 국가발전개혁위원회, 국가에너지위원회 및 기타 9개 부서는 나트륨 이온 배터리, 액체 금속 배터리, 고체 리튬 이온에 대한 연구 개발 매장량을 확보하는 '14차 5개년' 재생 에너지 개발 계획을 발표했습니다. 배터리, 금속-공기 배터리, 리튬-황 배터리 및 기타 고에너지 밀도 에너지 저장 기술.
Zhou Xiangyang은 현재 경탄소 나트륨 저장 메커니즘 연구자들이 다양한 모델을 제안했지만 나트륨 저장 메커니즘은 아직 통일된 이해에 도달하지 못했다고 말했습니다. 따라서 하드카본의 성능 향상을 위한 이론적 지침과 과학적 근거를 제공하기 위해 하드카본 재료와 전기화학적 반응 메커니즘 사이의 구성적 관계를 밝히기 위한 추가 연구가 필요합니다. 또한 입자 크기, 진동 밀도 및 질량 부하와 같은 경질 탄소 재료의 물리적 매개변수가 전기화학적 성능에 미치는 영향도 재료가 사용될 때 재료의 성능을 시너지적으로 향상시키기 위해 추가로 탐구될 필요가 있습니다. 나트륨 이온 배터리 시스템.
Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd.가 발표한 “중국 경질 탄소 양극 산업 시장 특별 조사 및 투자 전망 분석 보고서 2023-2029”에서는 신에너지 차량 및 에너지 저장 장비 개발에 대한 국가적 지원을 통해 중국 경질탄소 음극재 산업의 시장 규모는 더욱 커질 것이다. 시장 전망에 따르면 2025년 중국 하드 카본 음극 재료 산업 시장 규모는 86억 5천만 위안에 달하고 향후 5년간 하드 카본 음극 재료 산업의 연평균 성장률은 15.3%에 달할 것으로 예상된다.
현재 국내 하드카본 음극재 산업의 개발 시간이 상대적으로 짧기 때문에 대부분의 기업과 연구 기관은 여전히 기술 연구 개발 및 최적화 단계에 있습니다. 그러나 국내 주요 제조사들은 하드카본음성전극소재 생산에 적극적으로 나서고 있다. 올해 4월, 광동영나트륨신에너지기술유한회사(Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd.)는 연간 생산량 10,000톤의 경질탄소 양극재료 전구체 생산 프로젝트가 용안시 흑연 및 그래핀 산업단지에서 공식적으로 생산에 투입되었다고 발표했습니다. 주로 식물성 바이오매스를 원료로 사용하는 복건성. 닝보수고(Ningbo Sugo Co., Ltd.)는 나트륨이온전지에 적용되는 하드카본 음극재가 중국에서 톤수 판매를 달성했으며, 올해 양산 규모는 1,000톤에 이를 것으로 예상된다고 밝혔다.
중국 은행 연구소 연구원인 Ye Yindan은 나트륨 이온 배터리가 저온, 안전성, 고속 충전 및 기타 성능 지표 측면에서 리튬 전자 배터리보다 우수하다고 믿습니다. 그러나 에너지 밀도, 사이클 수명 등에서는 여전히 개선의 여지가 있습니다. 그러나 풍부한 재료 자원을 고려하면 여전히 개발 가능성이 크다. 하드카본 양극재 등 나트륨이온 배터리 핵심 기술의 획기적인 발전과 에너지 저장 수요의 급속한 성장으로 나트륨이온 배터리의 응용 시나리오와 규모도 빠르게 발전할 것이다.